Comprendre les technologies d'impression 3D

Des prototypes de conception aux pièces corporelles prothétiques, l'impression 3D ouvre de nouvelles possibilités dans la fabrication. Les machines d'impression 3D produisent actuellement de tout, des moulages en sable aux implants dentaires en titane et aux aubes de turbine. Le canard illustré ci-dessus, Buttercup, est né avec un pied terriblement déformé qui l'empêchait de marcher. Avec l'aide d'une prothèse personnalisée imprimée en 3D, Buttercup peut désormais marcher normalement.

Avant d'examiner de plus près l'impression 3D ou, comme on l'appelle formellement, la « fabrication additive », examinons la fabrication conventionnelle ou, comme on l'appelle parfois, la « fabrication soustractive ». Ce type de fabrication conventionnelle, en ce qui concerne la découpe des plastiques, est quelque chose pour lequel Craftech est bien équipé. Dans la fabrication soustractive, les feuilles ou les tiges de plastique sont réduites pour produire des attaches finies.

La coupe de métaux comme l'acier représente un défi plus important. Lorsque nous coupons de l'acier, les fixations passent généralement un certain temps dans un laminoir CNC, où elles sont découpées en forme par des fraises en carbure. La machine doit être extra rigide pour tenir des tolérances serrées. À titre d'exemple, l'une de nos usines, une petite selon les normes de l'industrie, pèse environ 26 000 livres. Il utilise un moteur de 35 chevaux et a des voies rigides. Lorsque la machine est en position de combat, elle peut contenir facilement un millième de pouce. Tenir des dixièmes n'est pas non plus hors de question puisque la broche et les vis à billes sont refroidies à une température constante et que le liquide de refroidissement haute pression peut traverser la broche, ce qui nous permet de faire des choses comme le perçage au pistolet. Un moulin comme celui-là, s'il était acheté aujourd'hui, coûterait entre 350 000 et 400 000 $. Son enveloppe de travail est d'environ 20"x40"x26" de haut. Quiconque programme et exécute l'une de ces bêtes se pose toujours en fin de compte la même question :pourquoi une machine ne pourrait-elle pas simplement déposer ou fusionner des couches de métal en une pièce finie ? Ne serait-ce pas beaucoup plus simple ? C'est là qu'intervient l'impression 3D. 

Lorsqu'on aborde un projet d'impression 3D, il faut d'abord accéder à un programme de modélisation 3D, tel que Solidworks ou Inventor. Le modèle solide créé par de tels programmes, ainsi que des programmes plus coûteux comme Sieman's NX ou Pro-E, peut alors être sorti au format STL (stéréolithographie). Le terme « stéréolithographie » a été breveté en 1984 par Charles W. Hull, l'homme qui a inventé le langage de l'impression 3D moderne. Le terme est défini comme "un système pour générer des objets tridimensionnels en créant un motif en coupe transversale de l'objet à former".

L'objectif initial de l'impression 3D était de pouvoir créer des objets extrêmement petits avec une précision extrême. Ce processus est appelé microfabrication. D'une certaine manière, l'impression 3D est le résultat d'une combinaison du système de positionnement CNC utilisé dans les usines et les machines EDM avec la technologie, en grande partie du groupe d'industries des semi-conducteurs, qui impliquait l'utilisation de faisceaux pour perturber la couche de résine sur les cartes de circuits imprimés, afin de produire des fonctionnalités 3D. Cette première technologie d'impression 3D était essentiellement la lithographie.

Il n'a pas fallu longtemps pour que divers processus, tels que le processus LIGA, puissent construire de véritables structures 3D avec une grande précision. Par exemple, une structure en nid d'abeille de 70 um de haut a été construite avec des parois cellulaires de 8 um d'épaisseur. D'autres éléments, tels que des pompes entièrement fonctionnelles, des serrures, etc., ont également été construits de cette façon.

Une fois ces technologies développées, la scène était prête pour la production d'articles plus volumineux. Examinons maintenant les trois principales technologies qui ont été développées pour l'impression macro, ou l'impression 3D d'objets visibles avec une certaine masse.

1) Modélisation des dépôts de fusion (FDM) 

Cette méthode est vraiment un type d'extrusion qui est généralement utilisé pour fabriquer de l'ABS ou d'autres modèles en plastique. Il peut également être utilisé avec des métaux eutectiques et même des substances comestibles. Les machines utilisant le FDM peuvent être relativement peu coûteuses. Il existe même des kits de bricolage pour ceux pour qui la précision n'est pas un facteur important. Certains d'entre vous connaissent peut-être MakerBot, une machine FDM courante.

2) Frittage laser direct des métaux (DMLS)

Presque tous les alliages métalliques peuvent être utilisés pour fabriquer des modèles avec cette technique d'impression 3D. Les problèmes de post-construction émoussent une partie de l'efficacité de l'une de ces méthodes additives qui reposent sur le frittage par un faisceau. C'est simplement qu'ils ont besoin d'un durcissement post-construction pour s'assurer que les particules du modèle adhèrent de manière à être au moins raisonnablement proches en force du métal réel utilisé. Cela signifie également plus de temps après la construction. Pour compenser une liaison et/ou une dimensionnalité moins que parfaites, certains fabricants ne produisent pas d'unités qui combinent des technologies additives et soustractives pour produire une pièce finie. Supposons que vous souhaitiez fabriquer une pièce à haute tolérance, telle qu'une dent métallique recouverte d'émail ou une plaque partielle. L'élément métallique est d'abord formé. Ensuite, sans avoir à être déplacé physiquement, avec toute la perte de précision que cela implique, l'article glisse simplement vers l'unité soustractive (fraisage), où les derniers millièmes sont supprimés et tout polissage ou autre finition mécanique effectué. Certes, il s'agit d'une fusion provisoire et maladroite de deux technologies. Finalement, les cellules de fabrication additive déposeront chaque couche atome par atome, éliminant ainsi le besoin de tout type de finition.

3) Frittage laser sélectif (SLS)

Ce procédé a également été développé au milieu des années 1980. Il est capable de fritter les métaux et les plastiques. La fusion sélective au laser (SLM), en revanche, ne repose pas sur le frittage. Au contraire, il fait fondre le matériau à une température suffisamment élevée pour qu'un objet entièrement formé, dense et solide soit formé tout au long du processus. Ensuite, il y a EBM, ou Electron Beam Melting. Ce processus est mené sous vide poussé et est principalement utilisé pour former des pièces en titane entièrement denses et solides. Il utilise un faisceau d'électrons pour faire fondre un fil mince, déposant ainsi couche après couche de métal. C'est aussi l'un des processus les plus précis. Cependant, l'achat d'un moule suffisamment grand et puissant pour produire même de petites cavités et noyaux de moule pourrait coûter 500 000 $ ou plus à l'acheteur. Ce qui est aujourd'hui beaucoup plus omniprésent, ce sont les petites imprimantes de bureau de type extrusion 3D.

Le scanner 3D doit également être mentionné comme étant un complément indispensable à la modélisation et à l'impression 3D. Un peu comme un appareil photo et un numériseur à la fois, il peut numériser un objet avec suffisamment de précision pour qu'il puisse être immédiatement traduit en modèle. À une certaine époque, le seul moyen de numériser avec précision les mesures d'un objet consistait à utiliser une machine à mesurer tridimensionnelle, ou CMM. Il y a à peine dix ans, ces machines coûtaient bien plus de 100 000 $. Bien qu'ils aient toujours leur place dans les ateliers de fabrication d'outils et dans d'autres endroits où les précisions requises sont au dixième près (.0001" ou environ ¼ de micron), de nombreux modèles peuvent être numérisés avec ces nouveaux scanners 3D relativement bon marché. Il ne fait aucun doute que quelqu'un travaille également sur un scanner qui dira à l'acheteur potentiel si le pull qu'il achète en ligne conviendra ! En tout état de cause, le domaine de la fabrication additive et de la numérisation 3D est un domaine qui présente actuellement des promesses illimitées.

Avez-vous de l'expérience avec l'une de ces machines d'impression 3D ? Partagez vos expériences ci-dessous !

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